مواد هوشمند (Smart Materials)

[madmood]

با عرض سلام خدمت دوستان

به امید خدا در این بخش با کمک شما دوستان عزیز می خوام به بیان مباحث یکی از درس های جدید رشته طراحی کاربردی به عنوان مواد هوشمند بپردازم!

این واحد درسی به تازگی در برخی از دانشگاه ها شروع به تدریس شده و به نظر طرفدارهای زیادی در خارج از کشور داره.

مباحثی که در این بخش بیان می کنم چکیده ای از مطالبی هست که استادم در کلاس بیان می نماید و همچنین نکته هایی که خودم از کتاب های مختلفی که در ادامه ی مباحث به معرفی آنها می پردازم ،بیان می کنم.

ضمنا در دانشگاه ما این درس به عنوان "مباحث منتخب در طراحی کاربردی" و در سایر دانشگاه ها به عنوان "مکانیک مواد وپسازه های هوشمند" تدریس می شود.

اینجانب در حد توان خود سعی می کنم وطالبی هرچند مختصر اما مفید جهت استفاده شما عزیزان بیان نمایم!!!
امیدوارم که مورد استفاده شما عزیزان قرار بگیرد.

قطعا پیشنهاد ها و انتقادهای شما در بهبود مطالب موثر است.

[madmood]

سلام مجدد

اینم برخی از کتاب ها این واحد درسی

1.Smart materials and and New Technologies البته این کتاب بیشتر برای مهندسین معماری مناسبه!!! ولی چند فصل اولش برای دوستان مکانیکی نیز مفیده.
2.Encyclopedia of Smart Materials که این کتاب هم دایره المعارف مواد هوشمنده!!
3.Adaptronics and Smart Structures Basic ( 554 pages, Adaptronics and SMA-important) Hartmut Janocha (Editor)
4.Dynamics of Smart Structures, Ranjan Vepa (wiley)
5.Engineering Analysis of Smart Materials Systems, Donald J.Leo
6.Smart Structures, Analysis and Design, A.V.Srinivasan, UK , Cambridge University of Press
7.Fundamentals of Functionally Graded Materials, Processing and Thermo-mechanical Behavior of Graded Materials, S.Sureh
8.Funectonally Graded Materials Nonlinear Analysis of Shells and Plates, Hui-Shen Shen

[عرفان سلیم زاده]

دستتون درد نکنه خیلی به این مباحث احتیاج دارم[golrooz]

[madmood]

سلامی دوباره
در ابتدا به بیان عناوین هر فصل می پردازم.
در فصل اول مقدمه ای در مورد مواد هوشمند بیان می شود که شامل تعاریف، مفاهیم، گروه های مختلف و سازه های هوشمند و کاربرد آنها می باشد.
در فصل دوم به سراغ پیزوالکتریک ها رفته و به بیان خواص آن می پردازیم.
در فصل بعدی به سراغ آلیاژهای حافظه دار رفته و خواص، مدل سازی، کنترل ارتعاشات و ... را بیان می نماییم.
در فصل چهارم به سراغ سیالات با محرک های تغییر شکلی الکتریکی و مغناطیسی رفته و مکانیزم آنها مورد بررسی قرار می گیرد.
در فصل پنجم به سراغ مواد با خواص تابعی و یا fgm ها رفته و دسته بندی و پاسخ های مکانیکی آنها مورد مطالعه قرار می گیرد.
در فصل ششم جذب کننده های ارتعاشی بیان می شود.
در فصل هفتم به بیان نانو ممز پرداخته می شود.
در فصل هشت کنترل سازه ها مورد بررسی قرار می گیرد.
در فصل نه سازه های خود ترمیم بیان می شود.

شایان ذکر است که این مباحث سر فصل های درس مواد هوشمنده ولی در اینجا ما به مباحثی می پردازیم که کاربرد بیشتری دارند.

* مواد هوشمند موادی هستند که در برابر عوامل مختلف عکس العمل و واکنش نشان می دهند. به عبارتی موادی هوشمند هستند که پاسخ های غیرر منتظره و عالی به ما بدهند و این زمانیست که در سازه، خواص مواد با هم کوپل شوند و رفتار جدیدی بگیریم که انتظار این رفتار را نداشتیم.
ناسا، smart را به گونه ای تعریف می کند که این مواد حافظه دارند و با دادن محرک به مواد به شکل اولیه بر می گردند. به عنوان مثال هنگام تصادف برخی از خودروهایی که با مواد هوشمند ساخته شده اند ، تغییر شکل ایجاد می شود که با ایجاد یک محرک می توان آنرا به شکل اولیه برگرداند.
در دایره المعارف شیمی، intelligent به گونه ای تعریف می شود که مواد، اتفاقات موجود در محیطش را حس می کند و پردازش کرده و سپس عمل می کند.
ناسا مواد را مثل عنصر تلقی می کند و آلیاژی یا قطعه ای است اما در تعریف دایره المعارف شیمی، موادی است که عملیاتی را پشت سر هم انجام می دهد و می تواند ماده منفرد باشد ولی بیشتر مونتاژ مواد مختلف است یعنی همان کوپل خواص مواد.
* مواد از لحاظ حافظه داری باید خصوصیات زیر را داشته باشند:
1. پاسخ سریع و فوری
2. بتواند پاسخ های مختلف در حالت های مختلف داشته باشد.
3. درون یابی کند و یا در مجموعه به صورت خارجی پاسخ دهد.
4. پاسخ می تواند قابل پیش بینی و برای هر محرک منحصر به فرد باشد.
5. به هر محرک وارد شده باید به طور مستقیم و موضعی پاسخ دهد.

[madmood]

سلام

به طور کلی مواد هوشمند را می توان به دو دسته تقسیم بندی کرد.
دسته اول موادی هستند که با اعمال محرک، تغییری در خاصیت آنها رخ می دهد. به عنوان مثال با تابش نور خورشید به شیشه های فتوکرومیک عینک، رنگ این شیشه ها به مشکی تغییر می کند.

دسته دوم موادی هستند که انرژی را از نوعی به نوع دیگر تبدیل می کنند. به عنوان مثال با اعمال انرژی مکانیکی به پیزوالکتریک ها می توان انرژی الکتریکی دریافت کرد و بالعکس.

این دو دسته خود به دسته های مختلفی تقسیم بندی می شوند که در آینده به بررسی آنها می پردازیم.

[madmood]

مواد هوشمند
مواد هوشمند اصطلاحاً به موادی گفته می شود که می توانند با درک محیط و شرایط اطراف خود نسبت به آن واکنش مناسب نشان دهند. امروزه کاربرد این مواد و بویژه فلزات و کامپوزیت های هوشمند در بسیاری از حوزه های صنعت گسترش یافته است.

ازجمله کاربردهای جدید این مواد استفاده از فلزی به نام نیتینول که ترکیبی از تیتانیوم و نیکل، در ساخت قاب عینک ها است باعث بروز ویژگی های متفاوتی در آنها شده است. این نوع عینک ها پس از خم شدن دوباره به شکل اولیه خود باز می گردند. هواپیماهای هوشمند، خانه های هوشمند، بافتهای حافظه دار، میکروماشین ها، سازه های خودآرا و نانوساختارهای متغیر کلماتی هستند که از سال 1992 و با تجاری شدن اولین مواد هوشمند وارد فرهنگ لغات شده اند و پیش بینی می شود این مواد بتوانند بسیاری از نیازهای فناوری در قرن 21 را برآورده کنند.

سابقه تاریخی مواد هوشمند به 300 سال قبل از میلاد و دوران کیمیاگری بازمی گردد. اگرچه در آن زمان توانایی تولید طلا وجود نداشت، اما فعالیت هایی برای تغییر رنگ و خصوصیات فلزهای مختلف انجام می شد که می توان بعضی از مواد مورد استفاده آنها برای ایجاد چنین تغییراتی را از مواد هوشمند به شمار آورد. عبارت مواد هوشمند اکثر اوقات بدون تعریف دقیقی از آنچه مورد نظر محققان است و همچنین بدون در نظر گرفتن کاربرد این مواد به کار گرفته می شود از سوی دیگر ارائه تعریف دقیق از آنچه به عنوان مواد هوشمند معرفی می شود، اغلب با مشکلات بسیار زیادی همراه خواهد بود. اگر چه از این عبارت به صورت گسترده درخصوص بسیاری از مواد که از ویژگی های متفاوتی در مقایسه با نسل گذشته مواد برخوردار هستند، استفاده می شود اما موافقت کلی در ارائه تعریف دقیقی از این واژه وجود ندارد. مواد هوشمند موادی هستند که موقعیت ها را به خاطر می سپارند و با محرک های مشخص می توانند به آن موقعیت بازگردند. به عبارت دیگر می توان گفت مواد و سازه های هوشمند، اشیایی هستند که شرایط محیطی را حس می کنند و با پردازش اطلاعات به دست آمده نسبت به محیط واکنش نشان می دهند. در تعریف اول وقتی از مواد صحبت می کنیم مجموعه ای از عناصر، آلیاژ ها و ترکیب ها در ذهن تداعی می شود که توسط ساختار مولکولی منحصر به فرد خود قابل شناسایی و اندازه گیری هستند. اما در تعریف دوم مواد به صورت مجموعه ای از فعالیت ها در نظر گرفته می شوند، یعنی با مجموعه ای از مواد و سیستم های مرتبط با آنها مواجه هستیم که قابلیت شناسایی و اندازه گیری در آنها کمتر خود را نشان می دهد.
در مواد هوشمند این مواد، همزمان با تاثیر محرک بیرونی شاهد پاسخ دهی به آن هستیم. در اکثر موارد این مواد از توانایی پاسخ به بیش از یک شرایط محیطی برخوردار هستند و پاسخ آنها قابل پیش بینی است.

انواع مواد هوشمند

با توجه به تعاریف ارائه شده برای مواد هوشمند می توان آنها را به 2 گروه تقسیم کرد:

۱) مواد کرومیک
گروه اول این مواد را اصطلاحاً مواد هوشمند نوع اول یا مواد کرومیک می نامند، این مواد یکی از جالب ترین انواع مواد هوشمندی موادی با قابلیت تغییر رنگ هستند. این دسته از مواد در پاسخ به محرک های محیط خارجی در ویژگی ها و خصوصیات شیمیایی، الکتریکی، مغناطیسی، مکانیکی و یا حرارتی دچار تغییر رنگ می شوند، این تغییر رنگ ناشی از تغییر خصوصیات نوری این مواد مانند ضریب جذب، قابلیت بازتاب و یا شکست نور است که در نتیجه تغییر در ساختار این مواد ایجاد میشوند.



نام ماده

عامل تغيير رنگ



فوتوکروميک

تغيير نور



ترموکروميک

تغيير دما



مکانوکروميک

فشار يا تغيير شکل



کموکروميک

شرايط شيميايي خاص



الکتروکروميک

تغيير ولتاژ




جدول 1: انواع مواد کروميک

[madmood]

انواع گروه اول

مواد فتوکرومیک:
این مواد در برابر جذب انرژی تابشی تغییر در ساختار شیمیایی‌شان ایجاد می‌شود و از ساختاری با یک میزان جذب مشخص به ساختاری متفاوت با میزان جذب متفاوتی تبدیل می‌شوند. مولکولهای مورد استفاده در حالت غیرفعال بی‌رنگ هستند و وقتی در معرض فوتونهای با طول موج خاص قرار گیرند به صورت برانگیخته در می‌آیند و شرایط بازتاب آنها متفاوت می‌شود. با از میان رفتن منبع ماوراء بنفش مولکول به حالت اولیه بر می‌گردد. کاربرد اصلی مواد فتوکرومیک در عینکها و همچنین پنجره برخی از ساختمانهاست.

انواع گروه اول

مواد فتوکرومیک:
این مواد در برابر جذب انرژی تابشی تغییر در ساختار شیمیایی‌شان ایجاد می‌شود و از ساختاری با یک میزان جذب مشخص به ساختاری متفاوت با میزان جذب متفاوتی تبدیل می‌شوند. مولکولهای مورد استفاده در حالت غیرفعال بی‌رنگ هستند و وقتی در معرض فوتونهای با طول موج خاص قرار گیرند به صورت برانگیخته در می‌آیند و شرایط بازتاب آنها متفاوت می‌شود. با از میان رفتن منبع ماوراء بنفش مولکول به حالت اولیه بر می‌گردد. کاربرد اصلی مواد فتوکرومیک در عینکها و همچنین پنجره برخی از ساختمانهاست.

مواد ترموکرومیک:
این مواد گرما را جذب کرده و تغییرات شیمیایی و یا تغییر فاز می‌دهند. نکته مهم این است که این تغییرات بازگشت‌پذیرند و با تغییرات دما دچار این تغییرات می‌شوند. شاید به دماسنجهایی نواری برخورد کرده باشید. در اصطلاح علمی به آنها ترمومتر گفته می‌شود که با گذاشتن آن بر روی بدن تغییر رنگ داده و عدد دمای بدن را نمایش می‌دهد و با برداشتن آن از روی بدن به حالت عادی بر می‌گردد.

مواد مکانوکرومیک و کموکرومیک:
در مورد این دو نوع مواد دو مثال جالب وجود دارد. مواد مکانوکرومیک با تغییرات فشار و یا تغییر شکل خصوصیات بازتابی متفاوتی از خود نشان می‌دهند و محصولاتی از آنها تولید شده است که تحت فشار و یا کشش خاص متنی که در آنها مخفی شده نشان داده می‌شود. در مورد مواد کموکرومیک هم حتما با نام کاغذهای تورنسل آشنا هستید که در محیطهای بازی و اسیدی رنگهای متفاوتی از خود نشان می‌دهند.

مواد الکتروکرومیک:
الکتروکرومیک به طور گسترده‌ای به موادی گفته می‌شود که در اثر قرار گرفتن در یک جریان و یا اختلاف پتانسیل الکتریکی رنگ آنها به طور بازگشت‌پذیر تغییر کند. به عنوان مثال پنجره‌های الکتروکرومیک به وسیله الکتریسیته روشن یا تار می‌شوند. این مواد از یک جزء تشکیل نشده‌اند و معمولا به صورت چند لایه از مواد هستند که با یکدیگر کار می‌کنند.

مواد با حافظه شکلی:
یکی از معروفترون آلیاژهای با حافظه شکلی ماده‌ای به نام نیتینول است که از آن به صورت سیمی استفاده می‌شود. در نگاه اول این سیمها همانند سیمهای معمولی به نظر می‌آیند که به راحتی تغییر شکل می‌دهند و رسانای الکتریسیته نیز هستند؛ اما در مقایسه با سیمهای معمولی فولادی و مسی بسیار گرانتر هستند.
​


دو مشخصه در این سیمها وجود دارد که آنها را از سایر سیمها متفاوت می‌کند:
این سیمها حافظه دارند. به عنوان مثال می‌توان آنها را به هر شکلی در آورد و سپس با گرم کردن آنها تا دمای بالای ۹۰ درجه سانتیگراد به حالت اولیه‌شان برگرداند این نکته که شاید جالب‌تر هم باشد این است که می‌توان این سیمها را برنامه‌ریزی کرد تا شکل خاصی را به خاطر بسپارند! این کار به این صورت انجام می‌شود که شکل دلخواهمان را به سیم می‌دهیم و سپس سیم را به مدت تقریبی ۵ دقیقه با دمای ۱۵۰ درجه سانتیگراد گرما می‌دهیم یا جریان الکتریسیته را از آن عبور می‌دهیم. حالا می‌توانیم سیم را به هر شکل دیگری درآوریم و برای برگشت آن به شکل اولیه کافی است آن را در آب داغ بیندازیم.

دسته دیگری از مواد با حافظه شکلی سیمهای ماهیچه‌ای هستند که از آلیاژهای نیکل و تیتانیوم ساخته شده‌اند و در دمای اتاق به راحتی می‌توان آنها را تغییر شکل داد. نکته‌ای که این مواد را جذاب می‌کند این است که با عبور جریان الکتریسیته با نیروی خوبی (که می‌توان از آن استفاده کرد) به شکل اولیه خود برمی‌گردند. اگر بخواهید دقیقتر بدانید باید بگوییم که این سیمها اگر تا ۸ درصد اندازه اولیه‌شان کشیده شوند بازهم می‌توانند به حالت اولیه باز گردند اما استفاده‌هایی که از آنها می‌شود تغییر طولهای در حدود ۳ تا ۵ درصد طول اولیه است.




تاريخچه :
در سال 1932 مشاهدات ثبت شده درباره پديده حافظه داري شكلي توسط Change و Read انجام شد. آنها وارون پذيري حافظه شكلي را در AuCd از طريق مطالعات فلز شناسي و تغييرات مقاومت آلياژ ، بررسي كردند
در سال 1956 مشاهدات و نتايج تحقيقات مربوط به تز دكتراي Horbojen در موضوع اثر حافظه دار در آلياژCu-Zn منتشر شد. . در سال 1962 Buhler و همكارانش ،به بررسي پديده حافظه داري شكلي در آلياژ تيتانيم و نيكل كه داراي اتمهاي برابر مي باشند پرداختند. در اين هنگام تحقيق درباره متالورژي و كاربردهاي عملي اوليه آن به طور جدي آغاز شد.
در سال 1967 در كنفرانس Nol ،Buhler و همكارانش تحقيقات گسترده خود را بر روي Nitionol و كاربردهاي تجاري فراوان در صنايع ارائه دادند . از جمله كاربردهاي مطرح شده ساخت كوپلينگ توسط شركت Raychem براي اتصال لوله هاي هيدروليكي مي باشد. كه در صنايع هوايي و نيروي دريايي ايالات متحده و همچنين در حوزه هاي نفتي درياي شمال مورد استفاده قرار گرفت.
در سال 1980 ميلادي Micheal و Hawt با انتشار مقاله اي از نتايج تحقيقات خودشان بر روي برنج آنرا به عنوان ماده جديد حافظه دار معرفي كردند.

مقدمه :
در پديده حافظه داري، نمونه در حالت كاملاً مارتنزيتي به مقدار معيني تغيير فرم داده مي شود سپس با گرم كردن نمونه و برگشت آن به حالت آستيني، شكل نمونه نيز به حالت اول خود بر گردد .

بررسي بر روي تغيير حالت متالورژيكي نمونه جامد ، تغيير آرايش اتم ها بدون هيچگونه تغييري در تركيب شيميايي فاز زمينه را نشان مي دهد. اين تغيير آرايش منجر به ايجاد ساختار كريستالي فاز جديد و پايدار مي شود. پيشرفت تغيير حالت بدون نياز به حركت و جابجايي اتمها به صورت مجزا ، را مي توان مستقل از زمان دانست و به همين دليل مي توان وابستگي دما را به عنوان تنها عامل پيشرفت اين تغيير نشان داد.
1- تغيير حالت هاي مارتنزيتي و پديده حافظه دار شدن:
تغيير حالت متالورژيكي جامدات از دو طريقه زير امكان پذير است .
1) حركت و جابجايي اتم ها وابسته به درجه حرارت و زمان با تغيير در تركيب شيميايي فاز جديد نسبت به زمينه قبلي.
2) تغيير آرايش اتمي به صورت هماهنگ وابسته به دما و بدون وابستگي به زمان و هيچگونه تغييري در تركيب شيميايي فاز جديد نسبت به زمينه قبلي .
تغيير حالت هاي مارتنزيتي به طريقه دوم مرتبط است و داراي مشخصات زير است:
1) تغيير مكان به صورت شبه برشي مي باشد و در آن اتم ها به صورت هماهنگ و گروهي جابجا مي شود.
2) ديفوزيون اتمي در آن اتفاق نمي افتد.
رفتار حافظه دار شدن كاملاً به مشخصه اول مرتبط بوده و نظم اتم هاي آلياژ نبايد به هم بخورد.
2- كريستالوگرافي مارتنزيتي:
تغيير حالت تبديل آستنيت به مارتنزيت از لحاظ كريستالوگرافي در سه مرحله قابل بررسي است .
1- تغيير فرم شبكه اي
2- برش ناهمگن
3- دوران شبكه اي
فرآيند تبديل آستنيت به مارتنزيت در مرحله تغيير فرم شبكه اي در شكل 2 نشان داده شده است . در اين مرحله اتم ها با جابه جايي جزئي و هماهنگ، پيشروي فصل مشترك از هر لايه اتمي را موجب مي شوند.

بايد توجه داشت پديده حافظه داري بدون تغيير حجم و تغيير شكل امكان پذير بوده و برش ناهمگن توجيه كننده اين مطالب مي باشد.
برش ناهمگن در مارتنزيت به دو طريق امكان پذير است :
1) مكانيزيم لغزش يافتن صفحات اتمي
2) مكانيزيم تشكيل دوقلويي ها

تصاوير نشان داده شده چگونگي انطباق فاز مارتنزيت بر فاز آستنيت را در هنگام جابجايي جزيي و گروهي اتمها با حفظ شبكه كريستالي نشان مي دهد.
بايد توجه داشت كه لغزش صفحات اتمي به علت شكسته شدن باند هاي اتمي بعنوان مكانيزيم تغيير فرم پلاستيك دائم محسوب مي شود، در صورتي كه در مكانيزيم دو قلويي به علت انرژي پايين مرز دوقلويي و برخورداري از تحرك و لغزندگي نسبي تغيير فرم غير دائم است. در آلياژهاي حافظه دار ، كرنش هاي ناشي از تغيير حالت در اثر تشكيل يك جفت از دوقلويي هاي دو طرف مرز ذخيره سازي مي شوند و براي برگشت پذيري از آن استفاده مي شود.


مرحله اول همانطور كه از شكل پيداست بعد از سرد كردن كريستال در زير دماي Mf واريانت هاي A و B و C و D تشكيل مي شوند مرحله دوم با وارد كردن تنش به كريستال ، واريانتها شروع به حركت و حذف شدن مي كنند تا واريانت واحد A تشكيل گردد. حين تشكيل واريانت واحد A كرنش هايي در جهت واريانتA ذخيره مي شود. مرحله سوم مربوط به حرارت دادن كريستال نمونه براي تبديل مارتنزيت به آستينت مي باشد از آنجاييكه كرنش ها تنها در جهت واريانت A ذخيره شده اند، پس تنها مسير براي برگشت پذيري، واريانت A مي باشد و نمونه به شكل اوليه خود باز مي گردد.
3- رفتار ترمومكانيكي:
آلياژ هاي حافظه دار در درجه حرارت هاي مختلف داراي خصوصيات مكانيكي بسياري مي باشند در شكل 6 منحني هاي ساده تنش - كرنش براي آلياژ تيتانيم- نيكل مشاهده مي شود. آلياژ در دماهاي پايين ، متوسط و بالاي دماي استحاله مورد آزمايش قرار گرفته است. تغيير شكل در مارتنزيت با چند در صد كرنش و تنش فشاري نسبتاً كم ديده مي شود . در حاليكه آستنيت در درجه حرارت بالا نياز به تنش نسبتا زيادي براي تغيير شكل دارد. خط چين روي منحني مارتنزيت نمايانگر برگشت پذيري آلياژ بعد از برداشتن تنش وارد شده بعد از گرم كردن نمونه و تبديل به فاز آستنيت مي باشد ولي چنانچه كه مشاهده مي شود در منحني مربوط به آستينت با برداشتن تنش و گرم كردن نمونه امكان برگشت پذيري وجود ندارد.

4- خاصيت ارتجاعي كاذب:
خصوصيت جالب توجه درباره منحني تنش - كرنش درقسمت منحني C ديده مي شود.به طوري كه پس از حرارت دادن نمونه كمي بالاتر از درجه حرارت انتقال ، در درجه حرارت بالاي Af به نمونه در فاز مارتنزيت تنش وارد مي شود. با افزايش مقدار تنش ، تغيير شكل نيز به صورت يكنواخت افزايش مي يابد (منحني AB). در اين هنگام رفتار تغيير شكل و تنش پايداري مشاهده مي شود با كاهش تنش( منحنيCD) مارتنزيت به آستينت تبديل مي شود بايد توجه داشت كه برگشت پذيري انجام شده به خاطر تغيير حرارت نمونه نمي باشد و دليل آن كاهش فشار است. اين پديده را كه موجب مي شود آلياژ خاصيت كشساني نامحدود پيدا كند به عنوان خاصيت ارتجاعي كاذب ناميده مي شود.
5- اثر حافظه دار يك طرفه و دو طرفه:
الف )اثر حافظه دار يك طرفه :
در صورتيكه اثر حافظه داري فقط بعد از تغيير شكل در حالت مارتنزيتي و سپس در سيكل گرم كردن مشاهده شود به آن اثر حافظه يك طرفه گفته مي شود. اين بدان معني است كه در اين حالت تغيير شكل ايجاد شده ، فقط با گرم كردن به حالت اوليه قبل از تغيير شكل باز مي گردد و چنانچه جسم را دوباره سرد كنيم تغييري در شكل آن حاصل نمي شود اين خصوصيت در شكل شماره 7 نمايش داده شده است.

همانطور كه در تصوير مشاهده مي شود ابتدا فنر در دماي Mf به مقدار معيني تغيير فرم داده مي شود به صورتيكه تغيير فرم دائمي در آن باقي بماند حال اگر فنر تغيير فرم داده شده را تا دماي Af حرارت دهيم مجدداً به شكل اوليه خود بر مي گردد و در سيكل سرد شدن تا دماي Mfهيچگونه تغيير شكلي در فنـــر مشاهده نمي شود. .

ب)اثر حافظه دار دو طرفه :
برگشت پذيري به حالت اوليه خود در اثر سرد و گرم كردن آلياژ هاي حافظه دار دو طرفه در بازه معيني از دما امكان پذير است . در شكل 8 يك فنر با اثر حافظه دار دو طرفه به صورت باز شده در حالت آستيني و شكل جمع شده در حالت مارتنزيتي نشان داده شده است.

همانطور كه مشاهده مي شود اگر فنر گرم شود باز شده و در سيكل سرد شدن مجدداً به شكل جمع شده در مي آيد.
بايد توجه داشت كه آلياژ هاي حافظه دار براي اينكه اثر حافظه دار دو طرفه از خود نشان دهند نياز به انجام عمليات ترمومكانيكي خاصي بر روي آنها مي باشد.
6- ساخت آلياژ هاي حافظه دار :
روش هاي اصلي ساخت آلياژ هاي حافظه دار در دو گروه عمده قابل بررسي است:
الف) ساخت آلياژ به طريقه ذوب و ريخته گري با استفاده از كوره هاي القايي و كوره هاي مقاومتي
ب) ساخت آلياژ به طريقه متالورژي پودر
براي توليد آلياژ هاي حافظه دار درتناژهاي بالا و تجارتي ، از روش ذوب و ريخته گري استفاده مي شود.

7-كاربرد آلياژهاي حافظه دار درمهندسي پزشكي:
كاربرد پزشكي آلياژ هاي حافظه دار به عنوان يك عملگر با اثر باقيمانده در داخل بدن قابل بررسي است آلياژي كه در بدن افراد براي بهبود رفتار باليني اعضاي آنها بكار گرفته شده است نبايد مولد هيچ گونه حساسيتي باشد علاوه بر آن آلياژ بكارگرفته شده نبايد به صورت ذراتي از يون آن ماده وارد خون شخص گيرنده اين گونه آلياژها شود.
جنبه هاي متعددي شامل شاخص هاي مزاجي افراد همچون سن ، قواي بدن و سلامتي و خصوصيات شيميايي مواد همانند خوردگي ، تخلخل پذيري سطح ، تأثيرات سمي و عناصر موجود در مواد به منظور پذيرش مواد مذكور در بدن افراد بايد مورد بررسي قرار گيرند.
تحقيقات متعددي در مورد توليد و بكارگيري آلياژهاي حافظه دار با كاربرد پزشكي با پايه عنصري Ni-Ti انجام پذيرفته است . اين تحقيقات نشان مي دهد كه آلياژNi-Ti در كاربرد و استفاده، نسبت به بقيه آلياژها از موقعيت خوبي برخوردار است.
تحليل خواص آلياژ Ni-Ti با بررسي خواص جداگانه نيكل و تيتانيم امكان پذير است .
نيكل رنگ سفيد نقره اي براق دارد و فلزي است سمي ، شكننده كه از قابليت پوليش خوبي برخوردار است اين فلز جز ء فلزات غير آهني سنگين با جرم مخصوص Kg/dm3 9/8 و نقطه ذوب 1455 مي باشد و در مقابل خوردگي بسيار مقاوم بوده و به وسيله آهن ربا جذب مي شود. همچنين در مقابل حرارت و ضربه مقاومت خوبي نشان مي دهد موارد استفاده آن شامل پوشش محافظ در آبكاري فلزات ، توليد فولادهاي آلياژي و غيره مي باشد.
تيتانيم فلزي است نقره فام مايل به خاكستري و جزء فلزات غير آهني سبك است و جرم مخصوص آنKg/dm3 5/4 و نقطه ذوب آن 1670 مي باشد. مقاومت در مقابل خوردگي و سايش و استحكام زياد آن موجب كاربرد در ساخت قطعات هواپيما ، سفينه فضايي ، لوازم نظامي و جراحي شده است. آلياژهاي تيتانيم دار فلز اصلي ساختمان هواپيماي مافوق صوت را تشكيل مي دهد . تيتانيوم بر خلاف نيكل در پزشكي بسيار مؤثر عمل مي كند ، علاوه بر اين با توجه به خواص بسيار خوب مكانيكي براي اصلاح دندان هاي كج و همچنين ترميم استخوان هاي آسيب ديده كاربرد فراوان دارد.
بررسي تحقيقات خواص باليني آلياژ Ni-Ti چگونگي كنترل مقاومت در مقابل خوردگي و عوامل خارجي مؤثر بر اين آلياژ را نشان مي دهد.

8-موارد استفاده پزشكي از آلياژ Ni-Ti:
الف) كاربردهاي مربوط به قلب و عروق
فيلتر سيمون نسل جديدي از وسايل استفاده شده براي جلوگيري از انسداد جريان خون مي باشد افرادي كه قادر به استفاده از داروهاي ضد انعقاد خون نمي باشند، استفاده كننده هاي اصلي اين فيلتر مي باشند. هدف استفاده از اين وسيله تصفيه خون داخل رگ مي باشد و فيلتر سيمون كمك مي كند لخته هاي بوجود آمده در خون حل شود.
اما نصب فيلتر در داخل بدن اشخاص با به كار گيري از تأثيرات آلياژهاي حافظه دار امكان پذير است براي اين منظور فيلتر رابا تغيير شكل برروي سوند قرار مي دهند.جريان محلول نمكي در داخل سوند موجب تثبيت دماي فيلتر با درجه حرارت معمولی مي شود و زماني كه فيلتر در محل تعيين شده قرار گرفت با توقف جريان محلول نمكي در داخل سوند درجه حرارت بالا مي رود و فيلتر تغيير شكل داده شده به شكل اصلي (اوليه) خود بر مي گردد در اين زمان فيلتر از نوك سوند نيز جدا شده است.

مسدودكننده سوراخ ديواره دهليزي: از اين وسيله براي مسدود كردن سوراخ ديواره دهليزي كه بين دو دهليز چپ و راست ايجاد مي شود استفاده مي گردد.

بايد توجه داشت وجود اين سوراخ غير عادي است و اميد ادامه زندگي را براي افراد كاهش مي دهد در روش جراحي معمول ، رفع اين عيب مستلزم شكافتن سينه بيمار و سپس عمل بخيه کردن سوراخ صورت مي گيرد ، كه به طور طبيعي خطرات ناشي از عمل جراحي و همچنين امكان بروز حوادث غير منتظره در حين جراحي اجتناب ناپذير بوده و راه حل آن استفاده از اثر آلياژهاي حافظه دار مي باشد. اين وسيله از سيم هايي با خاصيت حافظه داري و فيلم ضد آب كه روي آن نصب شده است، تشكيل مي شود. براي نصب اين وسيله در داخل قلب ابتدا نيمه اول آن وارد بطن چپ شده وبه شكل اوليه خود بر مي گردد و در ادامه نيمه دوم كه در بطن راست قرار مي گيرد تغيير شكل يافته ، به شكل اوليه خود بر مي گردد. در انتها هر دو نيمه به ديواره بطني متصل شده اند . به طوري كه از ورود جريان خون از دو بطن به يكديگر جلوگيري مي شود.

استنت هاي باز شونده خودكار نيز از جمله وسايل مهمي است كه در حفظ قطر داخلي رگ هاي تنگ شده و كاهش قطر و بسته شدن آنها كاربرد دارد . استنت ها به شكل استوانه هاي توري ساخته مي شوند و متناسب با نوع و محل كاربرد داراي اقطار متفاوتي مي باشند(شكل 12) .

از جمله محل هاي مورد استفاده از استنت ها سرخرگ ، سياهرگ، رگ هاي خوني ،مجاري ، صفراوي و مري مي باشد. براي نصب در داخل عروق ابتدا فاز مارتنزيتي از شكل اصلي به حالت متراكم شده تبديل و پس از قرار دادن در محل مورد نظر به شكل خود بر مي گردد.
ب) كاربردهاي ارتوپدي
از آلياژهاي حافظه دار (SMA) به عنوان فضا گير يا spacer بين مهره هاي ستون فقرات در حين عمل جراحي استفاده مي شود كه موجب استحكام ما بين دو مهره در حين بهبودي بعد از تغيير شكل ايجاد شده در جراحي اسكوليدز مي شود .در شكل 13B- سمت چپ مهره تغيير شكل يافته در فاز مارتنزيتي است كه پس از جايگزيني در محل مورد نظر به حالت سمت راستي (شكل اوليه ) بر مي گردد.

ترميم و بهبود شكستگي استخوان از ديگر كاربردهاي ارتوپدي آلياژ هاي حافظه دار مي باشد. انواع مختلفي از بست هاي با خاصيت حافظه داري در ترميم شكستگي يا ترك استخوان ساخته شده است. بست ها به صورت باز شده در محل شكستگي يا ترك معمولاً پيچ می شوند. با كمك گرما بست ها به گونه اي تغيير شكل مي يابند كه دو طرف شكستگي يا ترك را با هم يكي كرده و مي فشرند. گرماي ايجاد شده را مي توان به كمك يك وسيله خارجي به آلياژ منتقل كرد. نيروي ايجاد شده در اثر تغيير شكل آلياژ به بهبود سريعتر شكستگي يا ترك مي انجامد (شكل 14 و 15) .

عموماً از اين بست ها در مواقعي استفاده مي شود كه محل شكستگي يا ترك را نتوان گچ گرفت، مانند نواحي صورت شامل، بيني ، فك و حفره چشم از جمله محل هاي مورد كاربرد مي باشند.
از ديگر كاربردهاي ارتوپدي اثرات آلياژ هاي حافظه دار در فيزيوتراپي عضلات ضعيف مي باشد . تصوير 16 دستكشي را نشان مي دهد كه سيم هايي باخاصيت حافظه داري بر روي ناحيه انگشتان دستكش واقع شده است. كه موجب تقويت حركت عضلات و برقراري دامنه مناسب حركات مفصلي با استفاده از خاصيت حافظه داري سيم هاي دستكش استفاده مي شود به طوريكه با گرم كردن سيم طول سيم ها كوتاه شده و انگشتان به داخل خم مي شوند و با سردكردن طول سيم ها زياد شده و انگشتان كاملا‌ً كشيده مي شوند . اين پديده براي به كار انداختن مفاصل نيمه ثابت استفاده مي شود.

ج) كاربرد آلياژ هاي حافظه دار در وسايل جراحي
در راستاي توليد وسيع ابزارهاي جراحي در سال هاي اخير ابزارهاي جراحي حافظه دار قابل توجهي توليد شده است كه به شرح تعدادي از آنها پرداخته مي شود.
1- سبد حافظه دار براي خارج كردن سنگ هاي مثانه و صفراوي مورد استفاده قرار مي گيرد. مراحل نصب آن شبيه فيلتر سايمون مـي باشد كه در شكل 17 آورده شده است.

كاربرد پمپ بالوني داخل آئورت شكل 18 براي جلوگيري از مسدود شدن رگ هاي خوني در هنگام آنژيوپلاستي مي شود اين وسيله داري تيوب با اثر حافظه داري است وعملكرد آن با مواد پلي مري كه خاصيت ارتجاعي دارند قابل مقايسه است.

9-نتيجه گيري:
1-تغيير حالت مارتنزيتي به طريقه دوم تغيير حالت متالورژيكي جامدات مربوط بوده و در آن تغيير آرايش اتمي بدون هيچ وابستگي به زمان و تغييري در تركيب شيميايي فاز جديد، به صورت هماهنگ و وابسته به دما انجام مي گيرد.
2-رفتار حافظه دار شدن با تغيير مكان به صورت شبه برشي امكان پذير مي باشد كه در آن اتم ها به صورت هماهنگ و گروهي جابجا مي شوند.
3-مكانيزم دوقلويي در برش ناهمگن توجيه كننده چگونگي حافظه دار شدن آلياژ نمونه بدون تغيير درحجم نمونه اوليه است.
4-در رفتار ارتجاعي كاذب، آلياژ خاصيت كشساني نامحدودي پيدا مي كند.
5-اثر حافظه داري به دو صورت يك طرفه و دو طرفه در آلياژهاي حافظه دار قابل بررسي است.
6- آلياژهاي حافظه دار به دو روش 1-روش ذوب و ريخته گري 2- متالورژي پودر ساخته مي شوند.
7-آلياژهاي NiTi به دليل داشتن ويژگي هايي همچون مقاومت در مقابل خوردگي ،سازگاري زيستي بالا، قابليت توليد در اندازه هاي خيلي كوچك ، خاصيت ارتجاعي بالا و توليد نيرو در تجهيزات مهندسي پزشكي كاربرد فراوان دارند.

[madmood]

2) نوع دوم که در آن انرژی از نوعی به نوع دیگر تبدیل می شود
گروه دوم مواد هوشمند را گروهی از مواد تشکیل می دهند که دارای قابلیت تبدیل انرژی از سطحی به سطح دیگر هستند.
همه اجسام و محیط های پیرامون آنها دارای سطح مشخصی از انرژی هستند. هنگامی که سطح انرژی ماده و محیط اطراف آن یکسان است می گوییم ماده در تعادل با محیط است یعنی در این حالت تغییر انرژی وجود نخواهد داشت. اما اگر ماده در سطح انرژی متفاوتی نسبت به سطح انرژی به وجود خواهد آمد در مواد هوشمند و غیرهوشمند سطح انرژی همواره باید ثابت باشد؛ با وارد کردن انرژی به مواد سطح انرژی در آنها افزایش می یابد که معمولاً این انرژی افزوده شده به صورت افزایش انرژی درونی جسم خود را آشکار می کند. اما از ویژگی های مواد هوشمند این است که این انرژی را به صورت های مختلفی که از کارآیی و عملکرد بیشتری برخوردار است تبدیل می کنند.

چشم انداز کاربرد مواد هوشمند (http://www.newdesign.ir/search.asp?id=472&rnd=4189)
مواد هوشمند افق تازه ای از علم را در برابر بشر گشوده اند و توجه به آن ها رویاهای دیرینه ای از بشر را تحقق خواهد بخشید.
معرفی:
انواع مختلفی از مواد همچون فروالکتریک ها (که در میدان الکتریکی کرنش می کنند)، آلیاژهای حافظه دار (که در واکنش به تغییرات دما، دچار تغییر شکل ناشی از تبدیل فاز می شوند) و مواد منعطف مغناطیسی (که در میدان مغناطیسی کرنش می کنند)، قابلیت های حس گری و تحریک پذیری از خود نشان می دهند. این پدیده ها برعکس یکدیگر عمل می کنند و بنابراین می توان این مواد را، جداگانه یا با هم، به کار برد و قابلیت حس گری و تحریک پذیری را برای پاسخگویی به شرایط محیطی با یکدیگر ترکیب کرد. هم اکنون از مواد یاد شده در چاپ گرهای جوهرافشان، درایوهای دیسک مغناطیسی و وسایل ضد لختگی خون استفاده بسیار گسترده می شود.
کامپوزیت ها با پایه سرب - تیتان - روی (PZT) و سایر مواد فروالکتریک که دارای حساسیت زیاد، واکنش چندگانه فرکانسی و فرکانس متغیر هستند، بخش مهمی از مواد هوشمند به شمار می روند. مثلاً کامپوزیت PZT فرستنده-گیرنده ای است که در محفظه ای به شکل هلال جاسازی می شود و پاسخ را به گونه ای پایدار تقویت می کند. نمونه دیگر، کامپوزیت های باریم- استرونتیم- تیتان و مواد غیر فروالکتریک هستند که واکنش های پرس فرکانسی و پرس میدانی نشان می دهند. مصرف این کامپوزیت ها در حس گرها و تحریک کننده هایی است که می توانند برای هماهنگی با سیگنال یا رمزگشایی آن، فرکانس خود را تغییر دهند. هم اکنون از فروالکتریک ها در اجزای حافظه ای غیر متغیر، کارت های هوشمند و اجزای فعال اسکی های هوشمند- که در واکنش به تنش تغییر شکل می دهند- استفاده می شود.
بخش مهم دیگری از این مواد، پلیمرهای هوشمند هستند (مثلاً ژل های جدیدی که در واکنش به میدان الکتریکی تغییر شکل می دهند). از پلیمرهای الکترواکتیو در ساخت "ماهیچه های مصنوعی" نیز استفاده شده است. پلیمرهای موجود کنونی قدرت مکانیکی محدودی دارند، اما حوزه پلیمرها حوزه تحقیقاتی بسیار پویایی است و کاربردهای بالقوه ای در روبات های کاوش گر فضایی، ماموریت های بسیار خطرناک و تجسس را نوید می دهد. همچنین می توان هیدروژل هایی ساخت که در واکنش به تغییرات ph و دما منبسط و منقبض شوند. این هیدروژل ها (به شکل کپسول) قادر خواهند بود در واکنش به تغییرات شیمیایی، داروهایی در بدن ترشح کنند (مثلاً ترشح انسولین بر پایه تمرکز گلوکز). روند دیگر در رهاسازی کنترل شده دارو در بدن، مواد با هسته های هیدروفوبیک و پوسته هیدروفیلیک است.
چشم انداز آینده:
جهانی که از تحریک کننده ها و حس گرهای شبکه شده (مثلاً روی دیوارها، لباس ها، لوازم منزل، وسایل نقلیه و محیط پیرامونی) اشباع باشد، نوید دهنده بهبود، بهینه سازی و مشتری گرایی سیستم های حس گر از طریق دسترسی بیشتر به اطلاعات و تحریک پذیری هر چه مستقیم تر است. ارتباطات قابل دسترس مستمر، فهرست بندی و مکان یابی اقلام شخصی برچسب دار (برچسب های الکترونیکی، شیمیایی و غیره) و هماهنگی کارکردهای پشتیبان، دستاوردهایی هستند که تا سال 2015 به تدریج تحقق خواهند یافت.
توسعه مداوم حس گر های بیومتریک پنهان و ریز، همراه با تحقیق پیرامون شناسایی صدا و دست خط و اثر انگشت، به اثربخشی سیستم های ایمنی فردی می انجامد. از این سیستم ها می توان برای مقاصد پلیسی، نظامی، سازمانی، شخصی و تفریحی استفاده کرد. با ترکیب این سیستم ها و تکنولوژی های اطلاعات امروزی، بسیاری از دغدغه ها پیرامون مسائل امنیتی و حریم خصوصی افراد مرتفع خواهد شد. همچنین کاربردهایی برای ایمن سازی بهتر اسلحه کمری (با نصب قفل های تشخیص هویت مالک واقعی) و دزدگیر وسایل نقلیه ایجاد خواهد شد.
سایر کاربردهای مواد هوشمند که احتمالاً تا سال 2015 تحقق خواهند یافت عبارتند از:
- لباس هایی که به شرایط مختلف آب و هوایی حساس اند، با سیستم های اطلاعات تعامل دارند، علائم حیاتی را کنترل می کنند، قادر به ترشح مواد دارویی هستند و جراحات را به طور خودکار محافظت می کنند.
- ایرفویل هایی که خود را با شرایط آب و هوایی سازگار می کنند.
- ساختمان هایی که خود را با شرایط آب و هوایی سازگار می کنند.
- پل ها و جاده هایی که ترک را احساس و آن را مرمت می کنند.
- آشپزخانه هایی که با دستورات بی سیم آشپزی می کنند.
- تلفن ها و مراکز تفریحی که از تکنیک های "واقعیت مجازی" استفاده می کنند.
- تشخیص پزشکی شخصی (احتمالاً در تعامل مستقیم با مراکز درمانی)
البته سطح پیشرفت و عجین شدن این تکنولوژی ها با زندگی روزمره بیشتر به میزان استقبال مشتریان بستگی دارد تا به توسعه ها و پیشرفت های فنی.
علاوه بر عملکردهای تجسس و شناسایی که ذیل مواد هوشمند تشریح شد، توسعه روبات ها منجر به حس گرهای نو و قوی تری برای کشف و تخریب مواد منفجره و قاچاق و عملیات در محیط های بسیار خطرناک خواهد شد. افزایش عملکرد مواد، چه در منابع انرژی (مثل باتری ها) و چه قابلیت های حس گری و تحریک پذیری و همچنین یک پارچه سازی این عملکردها با قدرت محاسبات کامپیوتری، راه ظهور کاربردهای یاد شده را هموارتر خواهد ساخت.
این روندهای بالقوه، دغدغه ها و تنش هایی نیز به همراه خواهد داشت. اطلاعات حس گری و دسترسی به پایگاه های داده ای، نگرانی هایی را پیرامون حریم خصوصی افراد ایجاد می کنند.
سرانجام اینکه، آهنگ توسعه مواد هوشمند احتمالاً به سطوح سرمایه گذاری و پیشران های بازار بستگی خواهد داشت. در بسیاری موارد منافع و صرفه جویی های آنی ناشی از کاربرد مواد هوشمند، پیشران توسعه خواهند بود، اما نباید تردید داشت که تحقیقات نامتعارف مواد، نیازمند حمایت افکار عمومی و ایمان به سرمایه گذاری های بلند مدت تر است.
تحلیل:
چنان که ملاحظه می شود تکنولوژی مواد هوشمند، تکنولوژی کم اهمیت و با کاربردهای محدودی نیست. این تکنولوژی، برحسب آنکه چه زمانی به مراحل رشد سریع خود در بازار برسد، تحولات وسیعی را در کاربردهای مختلف خود به همراه خواهد داشت. به عنوان نمونه در بعد نظامی می تواند بسیاری از روش ها و تاکتیک های عملیاتی را دست خو ش تحول کند.

[madmood]

سلام

فایل ورد سه مطلب اخیر رو می تونین ازhttp://www.4shared.com/file/KRn2GMot/Smart_Materials__persian_.html دانلود کنید

در ضمن تو این فایل ورد عکس های مربوطه هم موجوده!!!!

[سجاد عبداللهی]

متشکرم
اگر اجازه بدهید این مباحث مطرح شده شما رو بعد از استفاده ی خودم به عنوان پروژه درس اجزای ماشین به استاد ارائه بدم.

- - - به روز رسانی شده - - -

متشکرم
اگر اجازه بدهید این مباحث مطرح شده شما رو بعد از استفاده ی خودم به عنوان پروژه درس اجزای ماشین به استاد ارائه بدم.